Le traitement de l'eau nécessite un ensemble complexe formé d'une part d'ouvrages de génie civil tels que des bassins, des réservoirs des canalisations et des bâtiments de surveillance et de contrôle et d'autre part d'équipements de mesure contrôle et régulation tels que les armoires de distribution électriques, les automates programmables, les capteurs et transmetteurs, chargés de surveiller et piloter l'ensemble des procédés de façon continue et souvent sans présence humaine directe. L?interdépendance de ces systèmes, l'aspect stratégique et environnemental de leurs fonctions d'approvisionnement ou d'épuration conduit le concepteur à prendre en compte tous les facteurs de risques pouvant entraîner une défaillance de ces systèmes. Parmi ces risques, il en est un qui peut être particulièrement dangereux : la foudre.
, Responsable produit – Dehn France
Comment la foudre, phénomène naturel imprévisible et violent, peut-il endommager voire bloquer des équipements modernes ? Un impact de foudre sur un bâtiment génère deux effets :
- - L'effet direct qui se traduit par une destruction physique de la structure au point d’impact due à l'effet électrodynamique des charges électriques de l’éclair et pouvant avoir, entre autres, comme conséquence la plus grave, l'incendie du bâtiment.
- - L'effet indirect, lié à l'écoulement du courant de foudre et au rayonnement électromagnétique, avec pour conséquences des surtensions par effets par la distance conduits et induits dans les réseaux électriques et les réseaux de données. Cet effet, bien qu’atténué, sera également destructeur.
même lors d’un foudroiement proche et ce jusqu'à un rayon de 2 à 3 km autour du point d'impact ! (figure 2)
Les experts internationaux et nationaux ont élaboré des modèles de probabilités qui permettent d’évaluer le risque selon les zones dans lesquelles se trouvent un bâtiment, sa taille, sa hauteur et son environnement ainsi que son mode d’alimentation électrique. Ces modèles, repris dans les normes internationales et nationales, peuvent guider l’utilisateur dans sa décision du type et des moyens de protections à mettre en place pour se prémunir du risque foudre qui là aussi peuvent se résumer en trois catégories :
- - Pour l’effet direct : mise en place de systèmes de captures et d’écoulement à la terre appelés communément : paratonnerre.
- - Pour l’effet indirect : mise en place de dispositifs de protections contre les surtensions (DPS) sur les réseaux d’énergie et de données appelés par le terme générique : parafoudre.
- - Pour la prévention : mise en place de systèmes de détecteur d’orage et basculement sur une alimentation secourue en cas de risque élevé d’orage. Pour être pleinement efficace, ces systèmes nécessitent malgré tout la mise en place des solutions précédentes et se limitent souvent à des installations de faible puissance. Ils sont donc à considérer comme solution complémentaire aux deux premières, dans les situations où aucune rupture de continuité de service n'est tolérable.
Évaluation du risque
Comment évaluer le risque foudre pour un ouvrage et des équipements de gestion de l’eau ? Il est naturellement impossible d’édicter une règle générale pouvant s'appliquer à tous les cas de figure, car l’évaluation du risque devrait se faire au cas par cas et par les experts et bureaux d'études compétents dans le domaine de la foudre. On peut toutefois citer les principes généraux et minimax, qui, en dehors de toute autre information, devraient guider le concepteur dans la mise en place de moyens de protection.
À titre d'exemple, on pourra prendre le cas d’une station d’épuration d’une ville moyenne située en rase campagne. De façon générale, l’étendue des stations d’épuration, la proximité souvent d’une forêt ou d’infrastructure peut influer sur le risque de foudroiement direct mais plus encore sur les effets indirects. En effet, si l’infrastructure génie civil d'une STEP peut supporter un impact de foudre, il n’en est pas de même des effets indirects. Ces effets qui sont naturellement très destructeurs dans le cas d'un foudroiement direct, restent perturbants même dans le cas d'impacts proches ou éloignés selon un récapitulatif donné dans la figure 3.
Pour résumer, pour les ouvrages et équipements de gestion de l'eau, on pourra éventuellement se passer de protection directe tels que les paratonnerres du fait d’une faible probabilité, si aucune étude précise ne le spécifie et si on est prêt à accepter d’éventuelles détériorations de l'infrastructure ; par contre, on ne devra pas faire l’économie des mesures de protection contre les effets indirects.
En effet, cette probabilité d'effets indirects est quant à elle incontournable. Elle devra être prise en compte dès l’origine par le concepteur qui pour garantir la continuité de service d’équipements, ne devra en aucune manière faire l'impasse d’une protection complète contre les surtensions de toute origine basée sur un réseau de terre réalisé avec soin et interconnecté, et, pour les distributions, la mise en place des parafoudres pour tous les réseaux BT ainsi que pour tous les réseaux courants faibles ou TBT.
L’évolution normative
L’évolution normative dans le domaine de la protection contre les surtensions concerne trois grandes familles :
Les normes produits
Elles définissent les types d’essais et carac-
Les parafoudres présentent différentes caractéristiques pour qualifier leur performance. Depuis juin 2003, la norme européenne NF EN 61643-11 fait référence en France. Elle propose notamment une classification des parafoudres selon leur capacité d’écoulement des courants de foudre et des courants induits (voir figure 4).
Les normes d’installations
Ces documents définissent les principes de base ainsi que les règles essentielles de mise en œuvre et d’installation des parafoudres.
Actuellement, le guide CEI 61643-12 est le plus complet ; une version adaptée pour la France devrait paraître fin 2004 sous la forme du Guide UTE 15-443. Ce guide permet notamment :
- de définir un concept global de protection contre la foudre et les surtensions (norme CEI 61312-1) ;
- de définir le degré d’immunité des équipements de courants faibles afin de permettre le choix adéquat du parafoudre (EN 61000-4-5).
Le concept de protection contre les surtensions
La mesure, la commande et la régulation constituent aujourd’hui le cœur des techniques d’automation, et donc des équipements de gestion de l’eau. Les commandes, régulateurs et transmetteurs possèdent leur intelligence propre ; ils apprennent leurs tâches et peuvent être coordonnés entre eux.
Il appartient surtout à l’installateur électricien de mettre en place, selon les règles de l’art, les parafoudres pour la basse tension. Le guide complète également les normes de sélection pour toutes les questions de mise en œuvre.
Les normes de sélection
Elles définissent les règles de base pour la sélection des parafoudres ainsi que les performances minimales requises selon leur utilisation. En France, les sections 443 et 534 de la NF C 15-100 (édition 2002) donnent ces indications et, notamment, le tableau de la figure 6 qui précise l’obligation d’installation des parafoudres. Ces normes ne sont pas exhaustives et pourront être complétées par l’application de normes complémentaires.
commande agissant intelligemment nécessitent une sécurité de fonctionnement accrue. En raison de la quantité d’interfaces différentes connectées (bus de terrain, Ethernet, E/S numériques, valeurs analogiques, ...), le risque dû aux courants résiduels de foudre et aux surtensions augmente d’autant plus. En raison de la connexion galvanique interne de tous les composants modulaires, une impulsion de surtension supérieure à la résistance des appareils suffit pour perturber ou même détruire le processeur central. Les conséquences sont, outre les dépenses éventuelles en matériel, la défaillance complète d'une partie du processus et la perte de données de processus importantes.
D’où proviennent les surtensions ?
Les surtensions sont des impulsions brèves de tension apparaissant pendant quelques fractions de secondes à peine. Elles peuvent atteindre une force de plusieurs dizaines de milliers de volts. Elles sont généralement causées par des impacts directs de foudre, par des impacts proches, des impacts se produisant dans un rayon pouvant s’étendre à quelques kilomètres de distance ou par des surtensions de commutation dans le réseau électrique (figure 7).
Les puissantes impulsions électriques produites par une décharge atmosphérique, de même que les crêtes de tension apparaissant lors d'une connexion, ont une capacité suffisante pour détruire l’électronique des instru-
Ces surtensions détruisent le plus souvent les appareils possédant plusieurs interfaces (par ex. alimentation en 230 V et connexion à des systèmes de bus).
Le concept des zones de protection contre la foudre
Une procédure conceptuelle est nécessaire pour augmenter la sûreté des équipements électriques et des A.P.I. contre les effets des courants de foudre et des surtensions. Ce concept de protection concerne toutes les interfaces du système. La base de ce concept de protection est la norme internationale CEI 61312-1. Elle précise le concept des zones de protection contre la foudre [1] (figure 8).
La protection est atteinte en réduisant les perturbations provenant du champ ainsi que les perturbations conduites par le câblage et qui ont été causées par l'impact de la foudre ou par des surtensions de commutation. Ces tensions transitoires doivent être réduites de manière à garantir la compatibilité électromagnétique des installations et systèmes informatiques. Les mesures suivantes sont à prendre :
- création d’un réseau d’équilibrage de potentiel complexe dans le bâtiment afin d’éviter les différences de potentiel entre les appareils ;
- blindage électromagnétique des bâtiments, locaux et appareils afin de réduire les champs électromagnétiques ;
- utilisation de blindage de lignes et des chemins de câbles ;
- utilisation de parafoudres coordonnés contre les surtensions pour les installations à courant fort et les installations à courant faible afin de réduire les perturbations conduites par le câblage.
Protection BT
Suivant ce principe on définira les parafoudres nécessaires à la protection des distributions BT et en s'inspirant du guide de sélection proposé par la norme NFC 15-100, tel que résumé sur le tableau de la figure 6. Dans le cas des équipements de gestion de l’eau, il pourra être nécessaire de prévoir un parafoudre de type 1 pour le TGBT principal dont la fonction sera d’écrêter des courants partiels de foudre tout en assurant un niveau de protection compatible avec la tenue d’équipements électrique avec une tenue au choc de 2,5 kV minimum, tel que montré sur la figure 9.
Ce premier étage de protection sera complété par un deuxième étage, situé généralement dans les coffrets divisionnaires ou de regroupement et pour lesquels un parafoudre de type 2 sera utilisé pour garantir l’écoulement de surtensions induites et rendant compatible le niveau de protection avec des équipements sensibles ayant une tenue inférieure ou égale à 1,5 kV, tel que présenté sur la figure 10.
Pour des petites installations où tous les équipements sensibles sont dans une seule et même armoire, l'utilisation d’un parafoudre type 1 combiné tel que le DEHNventil de Dehn France permet de résoudre de façon compacte et sécurisée la protection contre les courants partiels de foudre associé à un bas niveau de protection d’équipements sensibles tels que par exemple les automates ou les modems selon l’exemple de la figure 11.
Protection TBT
Souvent oubliée, la protection des réseaux très basse tension est pourtant une démarche incontournable pour qui veut garantir une continuité de service optimum. Comment réagit un équipement de gestion de l’eau s'il ne dispose plus d’informations tels que les niveaux des bassins, les débits etc., que se passe-t-il si des systèmes de contrôle-commande ne dialoguent plus entre eux, si le contrôle à distance est coupé ?
Les conséquences et les durées d’arrêt peuvent être plus importantes que dans le cas précédent ne serait-ce que par le nombre important des capteurs, le maillage des réseaux, la difficulté à diagnostiquer l’origine de la panne.
Il est donc nécessaire, là aussi, d’assurer une protection performante selon le concept défini plus haut et qui concernera toutes les liaisons courants faibles entrantes et sortantes, selon la figure 12.
Les parafoudres utilisés devront être adaptés au signal à protéger pour éviter de per-
Perturber ou atténuer le signal en question, d'où le rôle important du constructeur qui pourra garantir la parfaite compatibilité de ses systèmes avec les signaux en question. L’expérience d'un constructeur tel que Dehn France est ici un gage de fiabilité et de tranquillité car tous ses produits ont fait l'objet de validation et de tests et peuvent même, selon les besoins, être adaptés individuellement à un type de signal spécifique ; et au plus près de l’équipement à protéger, moyennant une connectique adaptée comme par exemple le nouveau parafoudre Dehnpipe qui se monte directement sur le transmetteur (figure 13).
Conclusion
La protection contre la foudre et les surtensions est, en raison de la réduction des fréquences de pannes et de l'augmentation de la sensibilité des systèmes et des installations, un élément important de l’installation électrique moderne des bâtiments et des équipements. En respectant la protection contre la foudre et les surtensions lors de la planification et du montage d'une installation, il est possible de créer un concept de protection techniquement et économiquement équilibré.
Les mesures conceptuelles pour la protection contre la foudre et les surtensions permettent d’accroître la disponibilité des installations et des systèmes de pilotage et supervision de procédés et donc de l’outil de production qui sont la base des équipements de gestion de l'eau.
